Die Macht der inneren Struktur

In dem Keramikw¨¹rfel unter dem Mikroskop stecken Superkr?fte: Eine Presse quetscht ihn von oben um fast ein Drittel seiner H?he zusammen. Aber nichts br?selt, bricht oder reisst. Dann l?sst sie nach, und der W¨¹rfel nimmt seine Ausgangsform wieder an, fast wie ein Schwamm. Die Presse wiederholt das Spiel, der W¨¹rfel bleibt intakt. Derart elastisch ist der 0,1 Millimeter kleine Keramikw¨¹rfel dank seiner inneren Struktur: Er ist durchzogen von geschwungenen Furchen und H?hlen. Diese sind so angelegt, dass sich die Zugkr?fte in keinem Bereich des W¨¹rfels konzentrieren k?nnen, wenn er gequetscht wird. Denn solche Konzentrationen der Zugkr?fte an defekten Stellen, Dellen oder scharfen Ecken der Struktur machen das Material br¨¹chig. Durch die spezielle H?hlenstruktur wird das verhindert, die Keramik wird pl?tzlich elastisch.

Was ETH-Professor Dennis Kochmann gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen vom California Institute of Technology in Pasadena entwickelt hat, ist ein Metamaterial. Solche Design-Materialien haben Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen. Angelegt sind diese Eigenschaften in der mikroskopischen Struktur. Elastische Keramiken sind dabei ein vergleichsweise unspektakul?res Beispiel. Bekannt sind Metamaterialien daf¨¹r, dass sich damit die Ausbreitung von Wellen kontrollieren l?sst. Forschern ist es etwa gelungen, ein Metamaterial mit negativem Brechungsindex herzustellen. Ein solches bricht Licht oder andere Wellen in die ?verkehrte Richtung?. Anwendungen sind komplett flache Linsen und theoretisch sogar optische und akustische Tarnkappen. Metamaterialien bergen also auch das Potenzial, Dinge unsichtbar werden zu lassen. Das Feld der Metamaterialien ist noch relativ jung und eine wissenschaftliche Goldgrube. Denn in der Theorie lassen sich Metamaterialien auf fast beliebig viele Eigenschaften hin massschneidern. Wer das Spiel aus geometrischen Formen, Elementen und Materialien beherrscht, dem ?ffnet sich eine Spielwiese.

Weich und leitf?hig

Kochmann und seine Gruppe leisten dabei Grundlagenforschung. Sie loten die Spielwiese aus und verschieben die Grenze dessen, wozu Materialien f?hig sind. Vor wenigen Jahren haben sie gezeigt, dass auch weiche Materialien ¨C genauer: Polymere ¨C Wellen transportieren k?nnen. M?glich machte dies eine clevere Anordnung des weichen Materials. Die Wissenschaftler verwendeten daf¨¹r sogenannt bistabile Elemente: Jedes von ihnen kann zwei Positionen einnehmen, eine gespannte und eine entspannte. Diese Elemente haben sie wie Dominosteine in Serie hintereinander angeordnet und miteinander verbunden. Wird die Struktur an einem Ende angestossen, bewegt sich eine Welle bis ans andere Ende ¨C eben wie bei Dominosteinen. Damit war eine simple L?sung f¨¹r die Signal¨¹bertragung in weichen Materialien gelegt. Die Forschenden hatten eine weiche Alternative zu herk?mmlichen Kabeln gefunden. Bedeutend ist dies etwa f¨¹r die Entwicklung von weichen Robotern.

Aktuell arbeitet Kochmanns Team daran, dasselbe Prinzip nicht nur in einer, sondern in zwei und drei Dimensionen anzuwenden. Damit werden Materialien m?glich, die auf einen bestimmten Stimulus ihre Form in zwei oder drei Dimensionen ver?ndern k?nnen, ohne auf Antriebe oder Motoren angewiesen zu sein. Allein anhand der Struktur k?nnten die Forscher den Anfangs- und den Endzustand einer verwandelbaren Form programmieren, dar¨¹ber hinaus auch Geschwindigkeit und Abfolge der Verwandlung.

Verwandlung auf Knopfdruck

W?hrend diese Materialien mechanisch ¨C im Labor von Hand ¨C angeregt werden, damit sie sich verwandeln, geschieht dies bei anderen bereits elektronisch auf Knopfdruck. Kochmann war an der Entwicklung eines siliziumbeschichteten Metamaterials beteiligt, das elektrochemisch aufgeladen werden kann und dadurch seine Struktur ver?ndert. Im Ausgangszustand sieht es aus wie ein dreidimensionales Gitter, wobei d¨¹nne horizontale Str?nge dickere vertikale Pfosten verbinden, ?hnlich wie in einem Boxring. Wird die Struktur elektrisch aufgeladen, schwellen die horizontalen Str?nge an und verbiegen sich zu einem symmetrischen Muster aus entgegengesetzten, sinus?hnlichen B?gen. Die Forschenden nutzen dabei einen Effekt, der bei Batterien sonst zu Problemen f¨¹hren kann: Beim Laden und Entladen schwellen und schrumpfen die Elektroden. Im neuen Metamaterial f¨¹hrt die Schwellung der horizontalen Str?nge dazu, dass sich die Struktur grundlegend ver?ndert ¨C und so verharrt, bis die Struktur wieder entladen wird. Den Forschenden ist es damit gelungen, ein schaltbares Metamaterial zu kreieren. Weil es funktioniert wie eine aufladbare Batterie, k?nnten damit in Zukunft auch mikrometerkleine implantierbare Energiespeicher entwickelt werden.

Dar¨¹ber hinaus hat Kochmann mit Simulationen eine weitere spannende Eigenschaft nachgewiesen: Ist das Metamaterial verformt (also aufgeladen), k?nnen sich darin Wellen in bestimmten Frequenzbereichen nicht ausbreiten. Indem mehr oder weniger Spannung angelegt wird, lassen sich diese Frequenzbereiche ver?ndern. Solche regelbaren Wellenbarrieren k?nnten auch interessant sein, um Schwingungen in sehr kleinen Bauteilen ¨C wie sie etwa in der Mikroelektronik vorkommen ¨C zu d?mpfen, wie Kochmann sagt.

Kreative Suche nach der Struktur

Mit der richtigen Struktur lassen sich Eigenschaften von Materialien also kontrolliert ver?ndern. Bleibt die Frage, wie man aus unz?hligen Kombinationen von geometrischen Formen, architektonischen Prinzipien und Basismaterialien das Design findet, das zur gew¨¹nschten Eigenschaft f¨¹hrt. Man arbeite daran, Algorithmen und k¨¹nstliche Intelligenz daf¨¹r einzusetzen, den Gestaltungsraum systematisch abzugrasen. Solche Methoden seien aber noch in den Kinderschuhen, sagt Kochmann. ?Zurzeit steckt da noch viel Brainstorming dahinter. Wir treffen uns gerne an der Wandtafel und kombinieren aus dem gemeinsamen Repertoire?, also aus bekannten Formelementen und ihren Eigenschaften.

Die Basis daf¨¹r bildet Kochmanns Spezialgebiet: Simulationen. Ausgehend von der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur eines Materials erforscht er deren Eigenschaften, wenn sie bestimmten Einfl¨¹ssen ausgesetzt werden. Zum Beispiel, wenn sie erhitzt, unter Strom gestellt oder wie beim Keramikw¨¹rfel komprimiert werden. Das so gewonnene Wissen ¨¹ber Materialien setzt er ein, wenn er neue Metamaterialien entwickelt.

Werkzeug theoretische Physik

Unterst¨¹tzung erh?lt Kochmann auch von Kollegen anderer Disziplinen. Zum Beispiel vom theoretischen Physiker Sebastian Huber. Dieser hat sich unter anderem darauf spezialisiert, Strukturen und Systeme zu entwickeln und zu bauen, die sich verhalten, wie es abstrakte theoretische Konzepte voraussagen. Zum Beispiel ist es ihm gelungen, einen sogenannten topologischen Isolator zu bauen: ein System, bei dem sich Wellen nur auf der Oberfl?che und nur in eine Richtung ausbreiten k?nnen. Den Effekt, den man vorher nur aus der Quantenphysik kannte, demonstrierte Huber erstmals 2015 mit einem Modell aus 270 quadratisch angeordneten Pendeln. Was Huber mit den Pendeln gelungen ist, macht er auch mit Metamaterialien: Er entwickelt und baut Strukturen, die Effekte zeigen, wie man sie sonst nur in aufw?ndigen Experimenten beobachten kann. Bei seinen Forschungsarbeiten gehe es immer um die ultimative Kontrolle der Ausbreitung von Schwingungen, sagt Huber.

Mit seinen Metamaterialien ¨¹bersetzt er die Konzepte der theoretischen Physik in die Welt der Mechanik. Dadurch gibt er Materialforschern wie Dennis Kochmann Werkzeuge an die Hand. Huber macht so neue Denkweisen und Designkonzepte f¨¹r Materialstrukturen verf¨¹gbar. Zugleich ¨C und dar¨¹ber freut er sich als Physiker fast noch mehr ¨C kann er anhand von Messungen in Experimenten mit seinen Metamaterialien gewisse physikalische Modelle sogar noch verfeinern. Die inneren Strukturen von Metamaterialien sind also der Schl¨¹ssel f¨¹r vieles: vom Verst?ndnis von Zusammenh?ngen in der Physik bis zur Kreation von neuartigen Materialien mit bisher nicht bekannten Eigenschaften.